Schneid- und Schweißversuche mit Elektronenstrahlen PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr.1646 Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt DK 621.791.72 621.791.947.2 Prof. Dr.-Ing.Alfred H. Henningf Prof. Dr.-Ing. habil. Kar! Krekeler f Dipl.-Ing. E. O. DesseI Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen Schneid- und Schweißversuche mit Elektronenstrahlen WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1966 ISBN 978-3-663-06679-8 ISBN 978-3-663-07592-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07592-9 Verlags-Nr.2011646 © 1966 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen Gesamtherstellung : Westdeutscher Verlag Inhalt 1. Einleitung...................................................... 7 2. Elektronenstrahlung ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1. Eigenschaften der Elektronenstrahlen ........................ 8 2.2. Erzeugung von Elektronenstrahlen .......................... 9 2.3. Wirkung bei Auftreffen der Elektronen auf Festkörper ......... 9 2.3.1. Energie................................................... 9 2.3.2. Elektronendruck und Eindringtiefe. .... ... . ... . .. . .... . ... . .. 10 3. Versuchsaufbau ................................................. 11 3.1. Allgemeine Beschreibung von Elektronenstrahlschweißgeräten . .. 11 3.2. Elektronenstrahlschweißgerät ES 1002 der Firma Carl Zeiss, überkochen .............................................. 12 3.3. Schweißen mit Elektronenstrahlen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15 3.4. Trennen mit Elektronenstrahlen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4. Versuchswerkstoffe .. ... ..... ... .... ... .... . ... .... .... . ... . ... .. 18 4.1. Rost- und säurebeständiger Stahl X 10 CrNiTi 18 9, Werkstoff- nummer 4541 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18 4.2. Eigenschaften von Inconel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 5. Versuchsdurchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22 5.1. Probenvorbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22 5.2. Einspannvorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22 5.3. Durchführung der Trennversuche .. . ... .... ... . .... . ... . ... .. 22 6. Auswertung der Versuchsergebnisse ............................... 23 6.1. Einfluß der Beschleunigungsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23 6.2. Einfluß von Stromstärke und pro Nahtlängeneinheit eingebrachter Energie................................................... 23 6.3. Einfluß der Vorschubgeschwindigkeit ........................ 24 6.4. Einfluß von Strom und Geschwindigkeit auf die Beschaffenheit des Trennschnittes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26 5 6.5. Einfluß der Fokushöhe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30 6.6. Einfluß von Impulsfrequenz und Impulsbreite . . . . . . . . . . . . . . . .. 30 6.7. Einfluß der Pendelung ..................................... 32 6.8. Tiefe der wärmebeeinflußten Zone an den Schnittkanten . . . . . . .. 32 6.9. Form der Trennfuge und Qualität der Schnittflächen. . . . . . . . . .. 32 6.10. Leistungsbedarf in Abhängigkeit von der Blechdicke ........... 36 6.11. Schneiden von Inconel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40 6.12. Verschweißen von Elektronenstrahlgeschnittenen Blechen... . ... 41 7. Zusammenfassung............................................... 45 8. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47 6 1. Einleitung Die vielseitige Verwendung, die die Elektronenstrahlung seit ihrer Entdeckung im Jahre 1869 gefunden hat, ist weitgehend bekannt. Anwendungsbeispiele findet man u. a. in der Elektronenröhre, der Braunschen Röhre, der Röntgenröhre und in der Elektronenoptik. Die Elektronenröhre dient zur Strom- und Spannungsverstärkung mit Hilfe des gesteuerten Ladungstransportes. Sie findet Verwendung als Gleichrichter-, Ver stärker und Senderöhre. Von der Braunschen Röhre führt der Weg über den Oszillographen zur Bildröhre der Fernsehgeräte. Ein gebündelter, in x-und.y-Richtung steuerbarer Elektronen strahl ermöglicht das Umsetzen elektrischer Informationen in ein optisches Bild auf dem Leuchtschirm. In der Röntgenröhre wird die kinetische Energie stark beschleunigter Elektronen eines Elektronenstrahles beim Auftreffen auf der Anode in kurzweIlige elektro magnetische Strahlung von hohem Durchdringungsvermögen umgewandelt. Die Elektronenoptik macht sich die Analogie der Elektronenstrahlung zur Licht strahlung zunutze. An die Stelle des Lichtstrahles tritt der Elektronenstrahl. Die optischen Linsen werden durch elektrostatische oder magnetische Glieder ersetzt. Da das Auflösungsvermögen und die Vergrößerung eines optischen Mikroskopes durch die Wellenlänge des Lichtes begrenzt werden, liegt die Auflösungsgrenze bei etwa 0,15 tJ.. Mit dem Elektronenmikroskop lassen sich aber Werte von 0,0015 tJ. erreichen. 7 2. Elektronenstrahlung 2.1. Eigenschaften der Elektronenstrahlen Elektronen sind kleine negativ geladene Elementarteilchen. Ihre Masse beträgt mo = 9,11' 10-28 g, die Ladung 1,602' 10-19 Coulomb. Elektronenstrahl nennt man eine Anzahl von Elektronen, die sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung bewegen. Die Elektronenstrahlung wird mit anderen, aus elektrisch geladenen Atomteilchen gebildeten Strahlungen zur Gruppe der Ladungsträgerstrahlen zusammengefaßt. Auf Grund seiner negativen Ladung kann ein Elektron im elektrischen Feld abgelenkt, beschleunigt oder gebremst werden. Die Beschleunigung im homogenen elektrischen Feld erfolgt nach den Gesetzen des freien Falles. Die Endgeschwindigkeit des Elektrons nach dem Passieren des Beschleunigungsfeldes ist demnach nur von der angelegten Spannung abhängig. Sie läßt sich nach folgender Formel darstellen: Ekin = e . U = m . c2 - mo . c2 (1) Es bedeuten: e Elementarladung des Elektrons 11 Beschleunigungsspannung mo = Ruhemasse des Elektrons m = Masse bei der Geschwindigkeit v unter Berücksichtigung der Massen veränderlichkeit m = ---;====- Vl-~ (2) (2 Auch Magnetfelder beeinflussen den Elektronenstrahl. Die Kraft, die auf das einzelne Elektron einwirkt, errechnet sich aus der Beziehung: .R = e(u X 58) (3) Daraus folgert, daß die Ablenkkraft um so größer ist, je größer die Geschwindig keit des Elektrons ist. Ein ruhendes Elektron wird nicht beeinflußt. Die Kraft wirkt immer in der Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung. Eine Geschwindig keitsänderung erfolgt nicht. 8 2.2. Erzeugung von Elektronenstrahlen Elektronenstrahlen werden in der Hauptsache in Gasentladungsröhren und hoch evakuierten Glühkathodenröhren erzeugt. Nach dem Prinzip der letzteren arbeitet die Strahlenquelle des Elektronenstrahlschweißgerätes. Ein Wolframfaden wird durch Stromdurchgang hoch erhitzt. Ist die Temperatur hoch genug um die Austrittsarbeit zu überwinden, treten aus ihm Elektronen aus. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes dergestalt, daß der Glühfaden Kathode wird, werden die Elektronen zur Anode hin beschleunigt. Die Menge der aus der Kathode austretenden und zur Anode fließenden Elektronen ist primär abhängig von der Temperatur der Kathode, vom Werkstoff der Kathode und damit von der von ihm abhängigen Austrittsarbeit und von der Größe der Oberfläche der Kathode. Bei einem Triodensystem, wie es beim Elektronenstrahlschweißen fast ausschließlich verwendet wird, ist die Menge auch noch von der Größe der Wehneltspannung abhängig. 2.3. Wirkung bei Auftreffen der Elektronen auf Festkörper 2.3.1. Energie Jedes Elektron im Elektronenstrahl hat eine kinetische Energie von mv2 Ekin=- (4) 2 Trifft es auf einen festen Körper, wird seine Geschwindigkeit auf Null abge bremst. Die Bewegungsenergie der Elektronen wird dabei in andere Energie formen umgesetzt. So läßt man beispielsweise in der Braunschen Röhre die Elek tronen auf einen Fluoreszenzschirm aufprallen, wobei Licht erzeugt wird. In der Röntgenröhre prallen die Elektronen auf die Anode und erzeugen hier eine sehr kurzweIlige elektromagnetische Strahlung, die Röntgenstrahlen. Allen bisher ge nannten Anwendungen der Elektronenstrahlung stand als Nachteil eine mehr oder weniger große Wärmeentwicklung am Auft reffpunkt der Elektronen gegenüber, so daß häufig noch besondere Vorkehrungen zur Kühlung getroffen werden mußten. Beim Elektronenstrahlschweißen wird diese durch das Aufprallen der Elektronen auf ein festes Medium entstehende Wärme bewußt zum Schweißen ausgenutzt. Die außerdem entstehende kurzweIlige Bremsstrahlung muß durch eine geeignete Abschirmung zurückgehalten werden. 9 2.3.2. Elektronendruck und Eindringtiefe Der Druck des Elektronenstrahles an der Auft reffs telle errechnet sich aus p = n 1 /2 mo • _l_ (5) V e UB p Elektronendruck n Leistungsdichte im Schweißfleck mo Ruhemasse des Elektrons e Ladung des Elektrons U B = Beschleunigungsspannung Die Formel zeigt, daß, gleiche Leistungsdichte vorausgesetzt, der Druck um so größer wird, je kleiner die Beschleunigungsspannung des Strahles ist. Die Eindringtiefe in festes Material ergibt sich nach SCHONLAND zu k· U~ s=-- (6) f2 Eindringtiefe Konstante = 2,1'20-12 g' cm-2 • Volt-2 Beschleunigungsspannung Dichte des Werkstoffes 10 3. Versuchsaufbau 3.1. Allgemeine Beschreibung von Elektronenstrahlschweißgeräten Nach der Art der Beschleunigungsstrecke kann man die Elektronenstrahlschweiß maschinen in Geräte mit als Anode geschaltetem Werkstück und solche mit sepa rater Anode einteilen [3]. Nach der Höhe der Beschleunigungsspannung unter scheidet man sogenannte »Niederspannungsanlagen« bis 40 kV und »Hoch spannungsanlagen« bis 150 kV. Schweißgeräte mit als Werkstück geschalteter Anode findet man nur bei den Niederspannungsanlagen. Erstmals beschrieben wurden sie von STORR und BRIOLA [4]. Kathode ist eine direkt beheizte Wolframwendel. Mit einer darum liegenden Wehneltelektrode wird der Stahl elektrostatisch fokussiert. Die Nach teile dieser Anordnung sind offensichtlich. Bei Gasausbrüchen im Schweißgut treten sofort Hochspannungsüberschläge auf, welche den Schweiß vorgang stören. Beim Schweißen mit höheren Leistungen verdampft aus der Naht Werkstoff. Diese Metalldampfwolke wird durch den Strahl ionisiert und bildet die Ursache für Überschlage und instabilen Strahl. Durch den Aufprall von Ionen auf die Kathode wird deren Lebensdauer stark herabgesetzt. Diese Nachteile werden durch Anlagen mit separater Anode vermieden. Die Beschleunigungsstrecke kann hier im genügenden Abstand vom Werkstück gelegt werden. Einen noch weitgehenderen Schutz der Kathode vor auftreffenden Ionen und vor Überschlagen bildet eine abgebogene Strahlst recke wie sie BAS und CREMOSNIK [5] und MEIER [6] beschreiben. Während BAS und CREMOSNIK, Kathode und Anode in entgegengesetzter Richtung abkippen und damit eine gebogene Beschleunigungsstrecke erreichen, legt MEIER hinter die Anode eine Ablenkspule. Der Zweck beider Anordnungen ist der gleiche. Die Kathode liegt, vom Werkstück aus gesehen, im »Schatten« der Anode und wird von Ionen und Metalldampf nicht getroffen. Anlagen mit separater Beschleunigungsstrecke erfordern zur Fokussierung des Strahles auf der Werkstückoberfläche eine Magnetlinse. »Niederspannungsgeräte« benötigen zur Erzeugung der erforderlichen Schweißleistungen hohe Ströme bei verhältnismäßig niedrigen Spannungen. Üblich sind Hochstromkathoden nach PIERCE [7] oder indirekt beheizte Bolzenkathoden [5]. Bei diesen läßt sich der Bolzen gegen einen dünneren auswechseln, wenn geringe Leistung benötigt wird. Entsprechend der kleineren Emissionsfläche wird auch der Durchmesser des Brennfleckes geringer. Direkt beheizte Wolframwendeln sind ebenfalls üblich. In Hochspannungsgeräten wird im allgemeinen das Fernfokussystem [8] nach STEIGERWALD angewandt. Der um die Kathode herumliegende Wehneltzylinder und die Anode sind so ausgebildet, daß das Beschleunigungsfeld auf den Strahl 11
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